（环境科学专业论文）感潮河段沉积物细菌数量的垂向分布特性及其影响因素.pdf

d e p t hd i s t r i b u t i o no fb a c t e r i a la b u n d a n c ei ns e d i m e n ti n g u a n g z h o ur e a c ho f t h ep e a r lr i v e r m a j o r l w a t e rp o l l u t i o n & a q u a t i ce n v i r o n m e n tm a n a g e m e n t n a m e ：f a nx i a n f a n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f w uq u n h e a b s t r a c t i nt h ep a p e r3c o r e s a m p l es i t e si ng u a n g z h o ur e a c ho ft h ep e a r lr i v e rw e r e s e l e c t e da sr e s e a r c hd i s t r i c t b a c t e r i a la b u n d a n c ea td i f f e r e n td e e pl e v e l so fs e d i m e n t w a se x a m i n e db yd a p im e t h o d d e p t hd i s t r i b u t i o no fb a c t e r i a la b u n d a n c ea n di t s i n f l u c i n gf a c t o r sw e r ea n a l y z e dw i t ht h es o f t w a r eo fs p s s 16 0f o rw i n d o w s c o n c l u s i o n sw e r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) b a c t e r i a la b u n d a n c ec h a n g e dt a r d i l yw i t hd e p t i l ，a n dt h em i n i m u mo f1 5 7 10 8c e l l s ( gd r yw e i g h t ) 1a t3 0 0m i l ld e e pl e v e lw a sj u s t2t i m e sl e s st h a nt h a ta t s u r f a c e ，w h i c hm e a n taw i d e l yb i o c h e m i c a la c t i v er e g i o na b o u t0t o3 0 0r n n li nt i d a l r i v e rs e d i m e n t t h ee f f e c to fd a p id i s t a i n e dw a sd i s t i n c t ，w i t ht h em i n i m u mo f 0 2 9 ， w h i c hp r o v e di tw a sn e c e s s a r yt op r o c e s sd a p id i s t a i n e d ( 2 )n i t r o g e nc o n t e n t ，c a r b o nc o n t e n ta n dd i s s o l v e do x y g e n ( d o ) i nt h e s e d i m e n tw e r ed o m i n a t i n gf a c t o r sa f f e c t i n gh o r i z o n t a ld i s t r i b u t i o no fb a c t e r i a l a b u n d a n c e ，w h i l en 0 3 - - nc o n t e n ta n dn i - h + - nc o n t e n ti nt h es e d i m e n tw e r e r e s t r i c t i n gf a c t o r s n i t r o g e nc o n t e n t ，c a r b o nc o n t e n ta n dd i s s o l v e do x y g e n ( d o ) i nt h es e d i m e n t w e r ed o m i n a t i n gf a c t o r sa f f e c t i n gv e a i c a ld i s t r i b u t i o no fb a c t e r i a la b u n d a n c e ，w h i l e d ow a sr e s t r i c t i n gf a c t o r t h e “a l a y e rh a dg r e a te f f e c t so nt h ew h o l es e d i m e n t c o r e c o m p a r e dw i t h2 0 0 8 ，c l a yc o n t e n ti nt h es e d i m e n ti n c r e a s e d ，w h i l en u t r i e n ts a l t i nt h es e d i m e n td e c r e a s e di n2 0 0 9 g r a i ns t r u c t u r ei nt h es e d i m e n tc h a n g e dm o s t g r e a t l yo fa 1 1 a n dg r a i ns t r u c t u r ei nt h es e d i m e n th a dg r e a te f f e c t so nt h ed e p t h d i s t r i b u t i o no fb a c t e r i a la b u n d a n t ea n dn u t r i e n ti nt h es e d i m e n t t h ec o e f f i c i e n t so f s i l tc o n t e n ta n db a c t e r i a la n u n d a n c e ，t o c ，t nw e r e0 3 3 3 ，0 5 8 3a n d0 5 0 4 ， r e s p e c t i v e l y ( 3 ) d r e d g i n gc a n tc o n t r o lt h en i t r i o u sp o l l u t i o no ft h i st i d a lr i v e r i ti se f f e c t i v e i l l t oc u tt h et i d a lr i v e r se x t e r n a lp o l l u t i o nr e s o u r c e sa n ds t r e n g t h e nt h et i d a lr i v e r s c a p a b i l i t yo fe l i m i n a t i n gc o n t a m i n a t i o nb yi t s e l f , w h i c hm e a n sb a c t e r i ap l a ya n i m p o r t a n tr o l ei nc o n t r o l i n gt h et i d a lr i v e r sn i t r i o u sp o l l u t i o n k e yw o r d s ：t i d a lr i v e r ，s e d i m e n t ，b a c t e r i a la b u n d a n c e ，v e r t i c a ld i s t r i b u t i o n i v 中山大学学位论文原创性声明 本人郑重声明t 所呈交的学位论文，是本人在 导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对 本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名：茬献豸 日期：7 唧年9 乡月0 7 日 1 1 研究的意义和目的 第一章绪论 河流沉积物与河水之间存在着一种吸附和释放的动态平衡【心】，当外源输入 严重时，河流内源污染物释放的影响尚不明显，甚至由于外源的输入通量较大， 来不及降解的沉积物直接进入沉积物，使沉积物成为河流污染物质的“汇”。但是， 在某些情况下，由于河流的理化性质发生突变，会导致河流沉积物中累积的污染 物大量释放回水体，对水质造成污染。当河流外源污染全部切断以后，则沉积物 中污染物向水体释放的过程变得极为重要，沉积物就成为造成河流水污染的“内 源”。 白晓慧( 2 0 0 2 年) 指出【3 j ：我国城市河流由于历年排放的污染物大量聚集在 沉积物中，已成为二次污染源。在污染源控制达到一定程度后，沉积物的处置将 会突出表现出来，成为与水质变化密切相关的问题。即使发达国家在水质改善方 面取得了相当成功以后，对水体沉积物的污染控制仍不乐观，如美国e p a 在1 9 9 8 年9 月有关污染沉积物的战略总报告中指出，“在美国的许多水域污染沉积物都 造成生态和人体健康的危机，沉积物成为污染物的储存库”。 人类活动导致的水体加速富营养化现象是当今世界的水污染难题，已成为世 人关注的主要环境问题之一。废水中氮、磷等营养物未经去除直接排入水体会导 致水体富营养化 2 1 。水体接纳过量的n 、p 等营养性物质，使藻类及其他水生生 物异常繁殖，水体透明度和溶解氧发生变化，造成水质恶化，不断加速水体老化， 从而使水体生态系统和水功能受到阻碍和破坏。严重时某些藻类恶性繁殖，通常 是蓝绿藻的暴发，水中溶解氧被消耗，营养盐和其他有机物浓度增加，出现所谓 的“水华”。其中一些藻类的蛋自类毒素可富集于水产生物体内，并通过食物链使 人中毒。大量藻类同时死亡时会耗去水中的溶解氧，从而引起鱼类大批死亡，水 体毒化。因此给水资源的利用，如饮用水、工农业供水、水产养殖、旅游、水上 运输等带来巨大损失。 饮用水的氮污染会严重影响人体健康【4 l 。供饮用的地面水源和地下水中n o ； 和n o ；的含量过高，能引起变性血色素症。n o ；可直接与人体血色素起反应，生 成交性血色素。变性血色素能破坏红血球的载氧能力，当人体血液中变性血色素 含量过高时，就会引起严重缺氧而导致死亡。饮用水中n o ；、n o ；含量高，可使 肝癌、食管癌、胃癌的发病率增高。在人胃中n o ；还原为n o ；，继而与人胃中 的仲胺或酰胺作用形成亚硝胺，这是一种致癌、致畸物质。饮用水中n o ；、n o ；含 量高对人体心血管系统有害，还会干扰机体对维生素a 的利用，导致维生素a 缺乏 症。克山病的亚硝酸盐中毒说认为，克山病的流行与饮用水中n o r 、n o ；含量高 有关。水环境中氮污染对鱼类等水生动物有毒害作用。水体中若氨浓度过低会妨 碍鱼腮的氧传递，当其浓度达到0 5 m g l 时，就能对水生动物尤其是鱼类造成毒 害作用；水体中由于硝化作用，氨氮会继续氧化成硝酸盐氮，而消耗水体大量溶 解氧，严重时会使鱼类等水生动物窒息死亡。 水体沉积物中的n 一般可分为有机形态氮和无机形态氮，以前者为主。有 机态氮可以分为半分解的有机质、微生物躯体和腐殖质，其中以腐殖质为主。有 机形态的氮大部分必须经过沉积物中微生物的转化作用，变成无机形态的氮，才 能为水生生物吸收利用。有机态氮的转化作用随季节而变化。无机态氮主要是 n h ；州和晖n ，还有一部分n ( 主要是j 刈) 固定在矿物晶格内，称为 固定态氮。这种固定态氮一般不能为水或盐溶液提取固。底质n 的消长主要取 决于生物累积、分解作用的强弱，底质环境特征和水热条件。通常认为n 元素 在水沉积物界面之间的转换是以不同氮化合物形态的形式进行的，底泥对于不 同的氮化合物形态，其释放量不同，释放量主要取决于上覆水体中溶解氧的含量 水平，同时还与t n 的浓度能量、水动力条件等因素有关。 在自然界，氮素的转移发生着五个重要的过程【5 卅，即：氮素的同化或固 定( n i t r o g e ni m m o b i l i z a t i o n ) ；氮素的矿化或氨化( n i t r o g e nm i n e r a l i z a t i o n ) ；硝 化作用( n i t r i f i c a t i o n ) ；反硝化作用( d e n i t r i f i c a t i o n ) ；固氮作用( n i t r o g e nf i x a t i o n ) 。 动物、植物和微生物的死细胞成它们的有机排泄物，在生物降解时伴随着发生有 机氮转化为无机氮的过程，这一过程称为矿化作用。与此相反，在生物生长过程 中，无机氮被同化为生物细胞原生质的组分，这个过程为氮素的同化。硝化( 从 m 对到饼和n o ；的微生物氧化) 是氮矿化和反硝化的中间环节；反硝化是把 n o ；或n o ；转化为n 2 0 或n 2 的还原过程。生物把分子态氮还原成氨和其他氮化 合物的过程为固氮过程。具体见下图1 1 【5 】o 2 图1 1 河流沉积物中氮循环简图 s c h e m a t i cd i a g r a mo fn i t r o g e n c y c l i n gi nr i v e rs e d i m e n t s 细菌不仅在氮元素的全球地球化学循环中扮演重要角色，而且其中的反硝化 细菌对水体富营养化的治理有重要意义( 将水中生物可利用氮转化为n 2 排放到 大气中) ，同时因为其中间产物n 2 0 是温室气体，反硝化作用也会增强温室效应， 促进全球变暖【j 7 1 。细菌在氮循环中的功能作用是目前国内外研究的热点问题，而 细菌数量与其发挥作用的大小密切相关，因此，研究细菌数量及其影响因素的相 关关系意义重大。 广州作为一个发达城市，其河流沉积物中氮污染比较严重【8 - 9 1 。广州市河涌 沉积物的氮、磷总量及有效态的含量均较高，其水平与菜园土相近，受河涌水体 营养盐污染影响明显。参照土壤养分等级划分标准进行的底泥养分水平评价表 明，广州市河涌沉积物中总n 、总p 含量达丰富水平的样点分别占5 6 6 和5 4 7 ； 有效养分n 、p 达丰富水平的均超过6 0 。广州市河涌沉积物富营养化程度比较 严重，而反硝化是消除氮污染的重要途径。因此，深入研究珠江广州河段沉积物 中细菌数量的垂向分布有着充分的现实意义。 本文的目的是通过测广州感潮河段沉积物中细菌的数量和沉积物的理化性 质，对比2 0 0 9 年4 月与2 0 0 8 年4 月河流沉积物中细菌数量和理化性质的差异， 研究细菌数量垂向分布特点和变化规律，及其与相关理化性质的关系。这对探索 有效控制河流沉积物氮污染有重要的理论意义和现实意义。 1 2 研究动态 1 2 1 细菌数量测定方法的研究进展 确定微生物数量有两种主要方法：第一种是基于培养的间接或存活计数；第 二种方法称为直接计数，是直接的显微镜观察。基于培养的间接或存活计数即计 数活细菌数用到的两种基本方法：标准平板计数法和最大概率法。标准平板计数 法是微生物学中最古老、最广泛应用的一种方法。它的主要缺点是：像显微观察 那样，整个群体中仅有很少部分能在实验室培养基中培养。最大概率数法( m p n ) 有时可以用来代替标准平板计数法估算环境中微生物的数目。最大概率数方法论 是有用的，因为它使我们能按对相关过程的贡献来估算细菌群体的数量。如果计 数一种微生物的培养前要先用液体培养基富集，就必须用最大概率数法分析。 因为直接计数包括存活、死亡的和存活但不可培养的生物，所以直接计数步 骤提供的数量通常高于培养计数。土壤微生物的直接显微技术包括从土壤颗粒中 分离生物。首先用分散剂如聚山梨醇酯8 0 ，对土壤进行处理，并通过离心将生 物从土壤颗粒中移去，并使土壤聚合物分裂。将得到的已知体积的土壤悬液放在 显微载玻片上，或在计数室中与琼脂混合，然后用显微镜进行检查。细菌的直接 显微技术中使用比较广泛的染料是吖啶橙( a c r i d i n eo r a n g e ，a o ) ，使用的另外两 种重要染料是4 ，6 二氨基2 苯基吲哚( d a p i ) 和异硫氰酸荧光素( f i t c ) 。直 接计数和培养计数的差异归因于存活但不可培养的生物【l0 1 。 j l d i x o n 等在他们的研究中采用3 h t h y m i d i n e 结合的方法测定深海沉积物 中细菌的生产力，从而探究它们的生态功能。发现深海的三个采样点( 深度为 1 0 9 2 3 5 7 2 m ) 的三个时间段的表层沉积物中细菌生产力为0 0 1 4 - - 0 4 8 l a g c g - h d1 ， 平均生产力为0 2 3 9 9 c g 。1 d 一。细菌的生物量为1 1 - 1 2 1 a g c g 一，平均生物量为 6 1 l a g c g 。他们采用的这种方法的优点就是只需少量的样品( 硝酸盐氮 亚硝酸盐氮。三氮在水体 中向上释放浓度与水体的细菌数量和氧化还原条件有较大关系【2 2 1 。 m o s h e r 等在对受污染的河流表层沉积物中影响微生物数量和活性的理化因 子研究中，选择位于美国俄亥俄州东北的m a h o n m g 河作为研究对象。工业废水 直接排入此河长达8 0 年之久，这导致河流沉积物中积累了各种各样的污染物。 发现微生物数量在人为污染的沉积物中较高，并且总可提取的c 6 h ”沉积物粒 径组成和含水率对微生物数量的影响在所有环境理化变量中占8 2 ，微生物活性 6 和微生物数量没有相关性。影响微生物活性的独立变量是温度和沉积物的持水 性。研究结果表明许多环境变量影响淡水沉积物表层( 10 4 0 c m ) 中的微生物群 落，亲脂性污染物会导致微生物数量的增加【2 3 1 。 s a n t m i r e 等在关于河流沉积物粒径组成对细菌群落的影响的研究中，发现粒 径组成为5 0 m m 的沉积物中的细菌数量最高，粒径组成为0 1 m m 的沉积物中细 菌数量最低。表层和深层的沉积物的粒径组成均会对细菌数量产生影响【2 4 1 。 s a n t m i r e 等在关于河流沉积物粒径组成对细菌群落结构组成影响的研究中，发现 季节变化相对于沉积物粒径组成来说对细菌种群组成的影响更大【2 5 】。郑国兴等在 对长江口及邻近陆架海区细菌与沉积物相互关系的研究中，发现当含泥量为 0 1 0 时，每克泥样细菌数量低于1 0 x 1 0 3 个的站5 5 ，细菌数量在1 0 1 0 0 x 1 0 3 个和高于1 0 0 x 1 0 3 个的站位数分别占3 6 和9 ，当含泥量增至1 0 2 0 和2 0 6 0 时，每克泥样细菌量低于1 0 x 1 0 3 个的站位数由5 5 降至4 5 和3 6 ，而细菌数 量为1 0 1 0 0x 1 0 3 个和高于1 0 0x 1 0 3 个的站位数，分别由3 6 增加到4 9 和由 9 增加到1 5 。得出细菌数量随沉积物中含泥量的增高而增高【2 6 1 。 综上所述，本论文选择年份变化、三氮( n 0 3 、n t 4 + 、t n ) 、有机质、c n 、 含水率和粒径组成作为细菌数量的影响因子，分析细菌数量垂向分布与它们垂向 分布之间的相关关系，并找出广州河段沉积物中细菌数量的主要影响因子。 1 3 研究的创新点 广州河段作为亚热带城市感潮河段，其沉积物中细菌数量组成垂向分布具有 其独有的特点，本论文分析了沉积物的理化性质和细菌数量在垂向上的分布特 征，并从水平和垂向上分析了影响细菌数量的主要理化因子，比较了2 0 0 9 年和 2 0 0 8 年沉积物理化性质和细菌数量的差别。有如下2 个创新点： l 、通过用d a p i 染色细菌直接计数方法来研究珠江广州河段沉积物细菌数 量的垂向分布特征及其影响因素，提出了影响细菌数量垂向分布的主导因子和限 制因子； 2 、本文通过对实验结果分析讨论提出只采用疏浚治理措施，不能达到控制 珠江广州河段氮污染的目的，关键应控制外污染源，同时改善河流生态结构，增 强河流本身自净能力，依靠细菌等微生物消除污染物，才能彻底控制河流污染。 7 1 4 研究内容 本论文的研究内容主要是分析广州河段沉积物细菌数量垂向分布及其影响 因素的相关关系，通过对比分析2 0 0 8 年和2 0 0 9 年的沉积物的细菌数量和理化性 质的数据找出影响细菌数量的主要环境因子，探究氮循环的机理。 ( 1 ) 测细菌的数量 采用d a p i 染色方法测定细菌的数量，并分析细菌的数量的垂向分布规律和 特点。 ( 2 ) 测广州河段沉积物的理化性质 采用标准方法测河流沉积物的理化性质，并分析其垂向分布的规律和特点。 测定的沉积物的理化性质包括有机质、总氮( t n ) 、n h 4 + 、n 0 3 。、粒径组成和含 水率等。 ( 3 ) 分析反硝化细菌种群组成与沉积物理化性质之间的关系 采用s p s s 软件和e x c e l 软件来统计分析细菌数量垂向分布与沉积物理化性 质之间的相关关系，并对比2 0 0 9 年与2 0 0 8 年的沉积物的相关数据，以此来探究 细菌在氮循环中的作用。 1 5 研究方法及思路 通过野外采样，采用d a p i 染色直接计数方法测定河流沉积物中细菌的数量， 并用标准方法测沉积物的相关理化性质，然后用s p s s 软件和e x c e l 软件分析它 们之间的相关关系，探究氮循环机理。并比较了2 0 0 9 年4 月与2 0 0 8 年4 月的样 品的理化性质与细菌数量的差异，探究其变化的原因。 本论文的研究思路如图1 2 所示。 8 图1 - 2 论文研究思路图 f i g 1 - 2c h a r to fr e s e a r c ht h o u g h t si nt h ep a p e r 1 6 研究区域的环境概况 1 6 1 珠江流域概况 珠江是我国南方的大河，流经滇、黔、桂、粤、湘、赣等省( 区) 及越南社 会主义共和国的东北部，流域面积4 5 3 6 9 0 平方公里，其中我国境内面积4 4 2 1 0 0 平方公里。 珠江流域北靠五岭，南临南海，西部为云贵高原，中部丘陵、盆地相间，东 南部为三角洲冲积平原，地势西北高，东南低。全流域土地资源共6 6 3 0 0 万亩， 其中耕地7 2 0 0 万亩，林地1 8 9 0 0 万亩，耕地率低于全国平均水平，流域人均拥 有土地仅有9 3 1 亩，约为全国人均拥有土地的五分之三。 珠江流域地处亚热带，北回归线横贯流域的中部，气候温和多雨，多年平均 温度在1 4 2 2 。c 之间，多年平均降雨量1 2 0 0 - - 2 2 0 0 m m ，降雨量分布明显呈由东 9 向西逐步减少，降雨年内分配不均，地区分布差异和年际变化大。 珠江年均河川径流总量为3 3 6 0 亿立米，其中西江2 3 8 0 亿立方米，北江3 9 4 亿立方米，东江2 3 8 亿立米，三角洲3 4 8 亿立方米。径流年内分配极不均匀，汛 期4 - - 9 月约占年径流总量的8 0 ，6 、7 、8 三个月则占年径流量的5 0 以上。 珠江水资源丰富，全流域人均水资源量为4 7 0 0 立米，相当于全国人均的1 7 倍， 但年际变化大，时空分布不均匀，致使流域洪、涝、旱、咸等自然灾害频繁。 珠江流域洪水特征是峰高、量大、历时长。造成流域洪水的主要天气系统主 要是峰面或静止峰、西南槽，其次是热带低压和台风，每年的暴雨洪水多出现在 6 、7 、8 月。珠江流域枯水期一般为1 0 月至下年3 月，枯水径流多年平均值为 8 0 3 亿立米，仅占全流域年径流量的2 4 左右。西江梧州站枯水期出现的最小流 量为7 2 0 立米每秒，北江角石为1 3 0 立米每秒，东江博罗站为3 1 4 立米每秒。 珠江属少沙河流，多年平均含沙量为0 2 4 9 千克每立米，年平均含沙量8 8 7 2 万吨。据统计分析，每年约有2 0 的泥沙淤积于珠江三角洲网河区，其余8 0 的泥沙分由八大口门输出到南海。珠江口门的潮汐属不规则的半日周潮。珠江口 为弱潮河口，潮差较小，平均潮差为0 8 6 1 6 米，最大潮差为2 2 9 3 3 6 米。八 大口门涨潮总量多年平均为3 7 6 2 亿立米，落潮多年平均值为7 0 2 2 亿立米，净减 量为3 2 6 0 亿立米。珠江流域是一个复合的流域，由西江、北江、东江及珠江三 角洲诸河等四个水系所组成。西、北两江在广东省三水市思贤窖、东江在广东省 东莞市石龙镇汇入珠江三角洲，经虎门、蕉门、洪奇门、横门、磨刀门、鸡啼门、 虎跳门及崖门等八大口门汇入南海。珠江三角洲面积2 6 8 2 0 平方公里，河网密布， 水道纵横。入注珠江三角洲的主要河流有流溪河、潭江、深圳河等十多条。 珠江污染非常严重，据统计，2 0 0 4 年珠江流域污水排放总量1 8 2 亿多吨， 其中入河废污水量1 3 9 亿多吨，珠江三角洲废污水排放量占总量的5 2 。在珠江 口近6 0 0 0 平方公里的水域水体中的重金属、无机氮、石油几乎百分之百超标。 目前，珠江口已经成为华南第一大、中国第二大的污染性口岸。珠江口海域约有 9 5 的海水被重度污染，剩下的5 也是中度污染。有专家称，长此以往，珠江 会成为第二条黄河，又有专家说，虎门附近海域是珠江口污染最严重的地区之一， 会成为中国的死海。最让人震骇的一句话是：“即使是所有人的眼泪，也无法汇 成一条清澈的珠江。”珠江的污染，正在威胁着珠江两岸人民的生存环境。 1 0 1 6 2 珠江广州河段概况 珠江广州河段是指从西航道的石门开始，直到下游莲花山，包括前航道、后 航道和黄埔以下航道。其水流形态，属感潮区非恒定流。上边界以径流影响为主， 下边界为潮流所控制，潮型为不正规半日混合潮。在广州市重要水源地西航道， 由于径流和潮流作用相当，水体反复振荡，需较长时间到达出海口，污染物的自 净能力较差，一旦受污染，持续时间较长。 珠江广州河段水质原有工业废水中的有毒有害物质和重金属已基本得到控 制。目前，珠江广州河段水质中，以溶解氧偏低、氨氮浓度和石油类浓度较高为 主要特征。氨氮浓度上升快的原因与生活污水迅速增加有关。用回归分析法，把 历年生活污水排放量和氨氮浓度值输入计算机建立回归方程y = 0 9 8 + 1 5 9 x ，x 为 氨氮浓度，y 为生活污水排放量，其相关系数r = 0 7 1 ，说明氨氮值与城市生活污 水排放量的相关性较大。 随着近几年来广州市加大污染源的整治力度，工业废水和农田排水的污染已 受到控制，城市生活污水成为珠江广州河段的氮污染的主要来源。 第二章河流沉积物的理化性质 2 1 样品的采集和制备 2 1 1 采样点的布设 考虑到珠江广州河段的水文水质特点，本研究共设置3 个采样点，每个采样 点采两个平行柱样。详细采样点名称及编号见表2 1 。 表2 1 珠江广州河段采样布点表 t a b l e1 - lt a g so f s a m p l i n gs i t e si ng u a n g z h o ur e a c ho f t h ep e a r lr i v e r 2 1 2 样品的采集和预处理 1 、样品的采集 本研究的采样时间为2 0 0 8 年0 4 月1 0 同上午和2 0 0 9 年0 4 月0 8 同上午，共 采样两次。采样方法为柱状采样法，采样设备为自制的柱状采样器。 采样器由金属接头、圆形塑料芯管( 长约5 0 c m ) 、缆绳和阀门等主要部件组 成。在采样时，将圆形芯管插入沉积物之中，采样后可把芯管从接头出取出，将 其保存和分样。缆绳固定在外层上，用以收放采样器，因此要有一定的长度和强 度。阀门安装在圆形芯管顶部，当采样器进入水底并采集好沉积物样后，拉动缆 绳，用阀门将芯管上部开口关闭，使其产生真空吸力，在泥样上提时，可以防止 泥样从芯管中滑出来。 2 、样品的预处理 1 2 实验全程实行无菌操作。采用自制改良采样器据采样点采集沉积物样，采样 后密封，并立刻置于低温( 4 ) 保存，运回实验室。对沉积柱进行切割，1 2 m m 为一层，取其中7 层进行下一步操作。7 层分别为：0 ( 0 1 2m m ) ；2 ( 2 4 3 6l m ) ； 5 ( 6 0 7 2m m ) ：8 ( 9 6 1 0 8 姗) ；1 2 ( 1 4 4 1 5 6m m ) ；1 7 ( 2 0 4 2 1 6l n m ) ；2 5 ( 3 0 0 - - 3 1 2 m m ) ，分别记作a 、b 、c 、d 、e 、f 、g 层。切割时所用的工具与容器必 须预先进行灭菌处理。所采沉积物样一部分立刻置于低温( 4 ) 保存，用于 n h 4 + n 、n 0 3 刊和含水率的测定。另一部分在室温下风干，剔除砾石及动植物 残体等外来侵入物，用木棍将自然风干的泥样研磨过1 0 目、2 0 目，再用四分法 取样，用研钵研磨，过1 0 0 目筛，装袋以备分析。然后测定沉积物的总氮、有机 碳和沉积物的粒径组成。还有一部分进行切割后细菌的d a p i 计数的测定。 2 2 材料和方法 按照土壤农化分析【2 7 】和水和废水监测分析方法t e s l 亡p 的有关方法对 沉积物样品中的各项指标进行分析，具体方法见表2 2 。 表2 2 沉积物样品的测定指标及方法 t a b 2 - 2i t e m sa n dm e t h o d sf o rm e a s u r i n gt h es e d i m e n ts a m p l e s 2 3 结果与分析 2 3 1 沉积物基本物理性质 1 、粒径组成 土壤中的各种颗粒搭配的比例成为质地，亦称为土壤的粒径组成。沉积物的 粒径组成在一定程度上反映了沉积物的化学组成和矿物组成，它影响着沉积物的 空隙状况，从而对沉积物含水率、氧化还原条件及养分的转化都有很大影响。沉 积物粒径组成尤其是粘粒含量与营养元素的迁移转化、累积、生物有效性等有着 密切关系1 2 9 1 。按质地对其所进行的分类称为质地分类，我国的粒级制( 1 9 8 7 年) 是在前苏联卡钦斯基粒级制基础上修订而来的，至今已沿用多年。本文参照该粒 级分类方法，将沉积物粒径分为5 个级别，即分别为粘粒( 0 0 5 m m ) 。 ( 1 ) 2 0 0 8 年的沉积物粒径组成情况 本实验测定了三个采样点的沉积物的粒径组成状况，所测粒径范围为 l 号 点 3 号点。而且从沉积物粒径的垂向分布来看，2 号点和3 号点的沉积物受到 过严重干扰。 ( 2 ) 2 0 0 9 年和2 0 0 8 年沉积物粒径组成的对比 因为本论文三个采样点的沉积物是由粘粒和粉砂组成，因此，本文只通过对 比2 0 0 9 年和2 0 0 8 年沉积物中粘粒所占的百分比来分析沉积物粒径组成的变化。 l 号点2 0 0 8 年沉积物的颗粒基本上符合垂向上由小变大的规律，其2 0 0 9 年 沉积物的粘粒含量的情况，具体如下图2 1 所示。 3 0 0 。3 5 0 - 图2 - 11 号采样点沉积物粘粒含量2 0 0 9 年5 2 0 0 8 年的对比 f i 9 2 - 1s e d i m e n tc l a y p e t c e n t a g ec 0 1 1 恤l $ 1 0 f 2 0 0 9 y e a r a n d 2 0 0 8y e a r o f c o t e l 从图2 - l 可以看出：1 号点的2 0 0 9 年和2 0 0 8 年沉积物的粘粒百分比总体上 均是随深度呈下降趋势这符台土壤粘粒的垂向分布规律。但是2 0 0 9 年沉积物 中粘粒百分比随深度的变化剧烈，而2 0 0 8 年变化比较平稳，并且2 0 0 9 年沉积物 中的粘粒含量远远大于2 0 0 8 年，其平均值分别为01 9 、0 0 9 。这是上游河流和 潮汐流携带泥沙淤积的结果。 2 号点2 0 0 8 年沉积物的颗粒在垂向上基本无明显变化，其2 0 0 9 年沉积物的 粘粒含量的情况，具体如下图2 - 2 所示。 c o t 目n 000 102o30 405 “0 j - 1 5 6 - l j l o 1 5 0j 、- lm 2 0 0j i ：j 2 5 0 13 0 0j j ”一“ 3 0 恤3 5 0j 圈2 22 号采样点沉积物牯粒含彗2 0 0 9 年与2 0 0 8 年的对比 f i 9 2 - 2s e d i m e n tc l a y p e r c e n t a g e c o n t r a s t o f 2 0 0 9 y e a ra n d 2 0 0 8y e a r o f c o r e 2 1 6 一；u】皂9口 从图2 2 可以看出：2 号点的2 0 0 9 年和2 0 0 8 年沉积物的粘粒百分比总体r 随深度均尤明显变化( 除了2 0 0 9 年的b 层) 。并且2 0 0 9 年沉积物中的料粒含量 远远大于2 0 0 8 年，其平均值分别为o2 5 、00 8 。这是上游河流和潮汐流携带泥 沙淤积的结果。 3 号点2 0 0 8 年沉积物的颗粒住垂向j 二基本无明显变化，其2 0 0 9 年沉积物的 料，粒古量的情况，具体如下图23 所示。 3 - c 0 0 0 i ) 0 i 5 02 0 0 2 503 0 03 504 0 0 n 5 0 h2 - 33 号采样点沉秘物枯粒禽蛄2 0 0 9 年。j2 0 0 8 年的对比 f i g2 3s e d i m e n tc l a y p e r e e m a g ec o n t r a s to f 2 0 0 9y e a ra n d 2 0 0 8y e a ro f c 叶e 3 从圈2 3 可以看出：3 号点的2 0 0 8 年沉积物的粘粒百分比均是随深度无明显 变化，而2 0 0 9 年变化不规律，总体上擎下降趋势。并且2 0 0 9 年沉积物中的丰占粒 含量远远大于2 0 0 8 年，其平均值分别为03 4 、01 1 。这是卜游河流和潮汐流携 格砚沙淤积的结果。 2 、含水率 ( 1 ) 2 0 0 8 年沉积物的古水率的情况 含水率的人小反映了沉积物的疏松情况，并且能i h j 接反映沉积物中d o 的水 平它在。定程度上受沉积物粒径组成状况的影响。2 0 0 8 年沉积物的台水牢的 情况，具体如下图2 4 所示。 o 鼽 咻 拈 咻 汴 eel j ! ! ! ! ! 里! 墨墨竺! ， 、弋 ，卢 1 一 j 焉 幽2 43 个采样点沉积物不同深度的舍水军 f i g2 4 v e r t i c a lp r o f i l e so f m d i s t u r e p e r c e n t a g e i ns e d i m e n t sa t t h r e es a m p l i n gs i t e s 从图2 4 可以得出，1 导点的含水率在垂向上呈先升高后降低的趋势；2 号点 的含水率在垂向上变化不规律；3 号点的含水率随深度变化不明显，呈先升高后 降低的趋势。1 号点含水率的平均值最低为3 9 ，最大值为5 8 ，最小值为2 5 ， 变化幅度为3 3 ：2 号点的含水率的平均值最高为5 4 ，最大值为6 5 ，最小值 为3 7 ，变化幅度为2 7 ；3 号点含水率的平均值为4 7 ，最大值为5 2 ，最小 值为4 1 ，变化幅度为1 1 。2 号点的泥质十分琉松，与上面所分析的粒径比较 大也有很好的对应关系。 总结3 个点沉积物的含水率的垂向分布状况可毗得出：2 号点沉积物含水 率总体上 3 弓点 1 号点；1 号点的含水率变化幅度，2 号点，3 号点。2 号点 的沉秘物含水牢比较高，并, e l 变化不规律是因为受到过严重的干扰 ( 2 ) 2 0 0 9 年与2 0 0 8 年沉积物的含水率的对比情况 1 号点2 0 0 8 年沉积物含水率在垂向上呈先升高后降低的趋势，其2 0 0 9 年沉 积物含水率的情况，具体如下图2 5 所示。 。 似 她 ” 啦 一ee一晋口 - 2 0 0 9 m 圈2 - 51 号采样点沉积物含水率2 0 0 9 年与2 0 0 8 年的对比 f i 9 2 - 5s e d i m 朗t w a t a - c o n l c l l t c o l l n a s t o f 2 0 0 9y e a ra n d2 0 0 8y e a r o f c o r e l 从图2 - 5 可以看出：2 0 0 9 年1 号点的沉积物含水率在垂向上呈上升趋势，而 2 0 0 8 年沉积物的含水率在垂向上呈先上升后下降的趋势，变化幅度大于2 0 0 9 年。 2 0 0 9 年沉积物的含水率略大于2 0 0 8 年的，其平均值分别为04 2 、03 9 。这是受 沉积物粒径组成变化的影响。 2 号点2 0 0 8 年沉积物的含水率在垂向上变化不规律，其2 0 0 9 年沉积物含水 率的情况，具体如下图2 - 6 所示。 吲2 - 62 号采样点沉积物含水率2 0 0 9 年与2 0 0 8 年的对比 f i g 2 - 6s e d i m d a t w a l e l c o n t 即tc o n t l q t s t o f 2 0 0 9 y e a ra n d 2 0 0 8y e a r o f c o r e 2 o 鼽 舭 弘 舭 ” 一1 5 5 a s 忡 m m 触 m e e 一5 口 从图2 - 6 可以看出：2 号点的2 0 0 9 年沉积物含水率在垂向上呈下降趋势，而 2 0 0 8 年沉积物的含水率在垂向上分布不规律，变化幅度大于2 0 0 9 年。2 0 0 9 年的 沉积物含水率略大于2 0 0 8 年的，其平均值分别为06 5 、05 4 。这是受沉积物粒 径组成变化的影响。 3 号点2 0 0 8 年沉积物的含水率在垂向上呈稍微的先升高后降低的趋势，其 2 0 0 9 年沉积物的含水率的情况，具体如图2 - 7 所示。 凹2 - 73 号采样点沉积物含水牢2 0 0 9 年与2 0 0 8 年的对比 f i g 2 - 7s e d i m e n t w m 盯c o f l t 锄tc o n t x _ $ t o f 2 0 0 9 y e a ra n d 2 0 0 8y e a r o f c o r e 3 从图2 7 可以看出：3 号点的2 0 0 9 年和2 0 0 8 年的沉积物含水率在垂向上均 呈下降趋势，2 0 0 9 年的变化幅度大于2 0 0 8 年。2 0 0 9 年和2 0 0 8 年沉积物中含水 率总体上基本相同，其平均值分别为0 4 6 、04 7 。这是受沉积物粒径组成变化的 影响。 2 0 0 9 年沉积物的含水率除3 号点比2 0 0 8 年的稍低外，其余两点均大于2 0 0 8 年的。是因为受2 0 0 9 年的沉积物的粒径组成变化的影响。 3 、p h 值 p h 值的变化能改变沉积物中细菌的活性，并能在一定程度上反映沉积物的 氧化还原电位。2 0 0 8 年沉积物的p h 值的情况，具体如下图2 - 8 所示。 豁 啪 蜥 瑚 娜 瑚 叭 啦 咻 蚺 悱 一i一；口 图2 - 83 个采样点沉积物不同深度的p h 值 f i g 2 8 v e r t i c a lp r o f i l e so f p h i ns e d i m e n t sa t t h r e es a m p l i n gs i t e s 从图2 - 8 可以得出，1 号点的p h 值在垂向上呈上升的趋势；2 号点的p h 值 在垂向上无明显变化且不规律；3 号点的p h 值在垂向上呈先升高后降低的趋势。 1 号点口h 值的平均值为73 8 ，最大值为7 6 7 虽小值为70 4 ；2 号点的p h 值的 平均值为69 4 ，最大值为7 0 8 最小值为68 5 ：3 号点p h 值的平均值为73 i ， 最大值为79 l ，最小值为68 9 。 总结3 个点沉积物的台水率的垂向分布状况，可以得出：1 号点沉积物p h 值总体上 3 号点 2 号点。1 号点的沉积物p h 值比较高，并且呈上升趋势， 推测是因为有厌氧性产碱杆菌存在。 2 3 2 氨形态在沉积物中的水平和垂向分布 n m + - n 、n 仉- n 和 i n 在3 个采样点的垂直分布分别见图2 8 ，图2 1 2 和图2 1 6 。不同的氢形态在不同采样点的垂向分布上表现出截然不同的特 点。 1 、n h 4 + n ( 1 ) 2 0 0 8 年沉积物中n h ，一n 的情况 在还原环境中，n 1 4 + 一n 极易积累。随着深度的增加，沉积物的d o 下降， 环境适宜于厌氧细菌活动的反硝化和氨化作用，使氮等从高价态向低价态转化， 并且深度越太沉积物受到的扰动较小，有利于n h 4 + 一n 积累。因此n 1 4 + 一n 含 一 一 一ee一58 量在沉积物巾随深度增加通常表现为增加的趋势，实验所得2 0 0 8 年的沉积物的 n h 4 + n 含量的情况具体如下罔2 - 9 所1 i 。 n